CN114488354B - 一种基于dToF的雨量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于dToF的雨量传感器，由光源阵列(1)、脉冲驱动模块(2)、偏置电压源(3)、单光子雪崩光电二极管(4)、淬灭电路(5)、时间数字转换器(6)和信号处理模块(7)组成。本发明利用时间飞行法实现对挡风玻璃外表面降雨量的测量，可广泛应用于汽车、气象和水文等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于dToF的雨量传感器，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。属于光电技术领域。
背景技术
进入二十一世纪，随着国民经济水平的快速提升，消费者购买能力的增强，汽车市场蓬勃发展。雨刮器作为汽车不可或缺的重要部件，它具有清洁汽车挡风玻璃的作用，能使驾驶的事业保持清晰，是保障汽车雨天行车安全的关键部件，在如今蓬勃发展的汽车行业的带动下，自动雨刮器产业在当前呈现出了良好的发展态势。
雨量传感器是整个自动雨刮器***的核心部件，其功能是测量挡风玻璃外表面的雨水，并根据测量结果输出特定信号以控制雨刮器以适当的速度和间歇工作。光学式雨量传感器是根据光的折射和光的全反射原理制成，其主要包括了发射模块、挡风玻璃和接收模块组成。发射模块发射的光线以固定的入射角投射到挡风玻璃的内表面上，然后光线经过挡风玻璃反射至接收模块。传统的雨量传感器的接收模块为光电二极管，当挡风玻璃外表面有雨水时，反射到接收模块的光线的强度将会减少，引起光电二极管输出光电流的减少，通过对接收模块输出光电流的测量实现对风挡玻璃外表面雨量的检测。但是，环境光的变化会对传统的基于光电二极管的雨量传感器造成影响，环境光的变化会引起光电二极管输出电流的变化，这使得传统的雨量传感器难以实现全天候和环境光突变情况(例如，汽车驶出隧道环境光突然增强或者汽车在高架桥的匝道行驶时，太阳入射角不断变化导致雨量传感器区域的光强一直在变化。)下的雨量检测。此外，传统的雨量传感器难以实现对挡风玻璃多位置点的测量。
为了解决该问题，本发明公开了一种基于dToF的雨量传感器，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。该传感器集成了脉冲光源、单光子雪崩光电二极管和时间数字转换器，通过时间数字转换器记录脉冲光源发射的脉冲光信号经过风挡玻璃反射至单光子雪崩光电二极管的时间延时，并将大量统计的时间延时进行直方图处理，直方图中特定时间延时(脉冲光源发射脉冲光信号经风挡玻璃反射到单光子雪崩光电二极管的飞行时间)的计数可以反映雨量，由于环境光是随机的，环境光触发的时间延时对应的计数分布是均匀的，不会对反映雨量的计数造成影响，实现了全天候和环境光突变情况下的雨量检测。同时传感器可以通过设置不同位置和不同发射角的光源，实现对挡风玻璃上多个位置点的雨量检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于dToF的雨量传感器，本发明可应用于汽车、气象和水文等领域。
一种基于dToF的雨量传感器，由光源(1)、脉冲驱动模块(2)、偏置电压源(3)、单光子雪崩光电二极管(4)、淬灭电路(5)、时间数字转换器(6)和信号处理模块(7)组成。
本发明是这样实现的：脉冲驱动模块(2)输出脉冲电信号驱动光源阵列(1)输出脉冲光信号，同时输出一个同步电信号至时间数字转换器(6)；脉冲光信号照射到风挡玻璃经其反射返回到单光子雪崩光电二极管(4)，单光子雪崩光电二极管(4)将接收到的光信号进行光电转换输出雪崩电信号至淬灭电路(5)，淬灭电路(5)对单光子雪崩光电二极管(4)输出的雪崩电信号进行淬灭和复位处理，并将雪崩电信号整形为标准晶体管-晶体管逻辑电信号输出至时间数字转换器(6)；时间数字转换器(6)记录下脉冲驱动模块(2)输出同步电信号和淬灭电路(5)输出电信号之间的时间延时并转换成数字信号输出至信号处理模块(7)，信号处理模块(7)对接收到时间延迟进行直方图处理。
所述光源阵列(1)采用工作在近红外波段的激光二极管或者垂直腔面发射激光器，挡风玻璃上的设置多个均匀分布的测量点，光源阵列(1)中光源的数量决定了测量点的数量；光源阵列(1)发出的近红外光信号入射到风挡玻璃内表面；如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号将会减少，被反射回来的近红外光信号的强度反应了风挡玻璃外表面的雨量；光源阵列(1)用于测量风挡玻璃的不同位置的雨量时，光源阵列(1)中光源的位置和光源的发射角由测量点的位置和单光子雪崩光电二极管(4)的位置决定。
所述单光子雪崩光电二极管(4)基于锗，铟镓砷或者铟镓砷/磷化铟的任何一种，工作于近红外波段；偏置电压源(3)输出直流电压至单光子雪崩光电二极管(4)，直流电压大于单光子雪崩光电二极管(4)的击穿电压，单光子雪崩光电二极管(4)工作在单光子探测模式；当经风挡玻璃反射的近红外脉冲光信号入射到单光子雪崩光电二极管(4)，单光子雪崩光电二极管接受入射光子输出雪崩事件至淬灭电路(5)。
所述淬灭电路(5)的作用是对单光子雪崩光电二极管(4)进行淬灭和复位，淬灭过程是淬灭电路(5)检测到雪崩事件后降低单光子雪崩光电二极管(4)的工作电压至击穿电压以下来抑制雪崩进程，复位过程是淬灭一段时间后(死时间)淬灭电路(5)将单光子雪崩光电二极管(4)的工作电压恢复来准备探测下一个光子，同时淬灭电路(5)输出一个标准晶体管晶体管逻辑电平脉冲信号至时间数字转换器。
所述时间数字转换器(6)的start端口接收到脉冲驱动模块输出的同步脉冲电压信号触发时间数字转换器(6)开始计时，当时间数字转换器(6)的stop端口接收到淬灭电路(5)输出的电压脉冲信号时停止计时，这样光源阵列(1)发射的脉冲光信号经风挡玻璃反射至被单光子雪崩光电二极管(4)的飞行时间被记录下来，之后时间延时被传输至信号处理模块(7)进行处理。
所述信号处理模块(7)接收时间数字转换器(6)输出的时间延时并进行统计，之后将统计的时间延时进行直方图处理，直方图的横轴为不同长度的时间延时，纵轴为时间延时的计数；由于环境光是随机的，环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，直方图中Cd为环境光在不同长度时间延时对应的计数；光源阵列(1)中第一光源(11)、第二光源(12)和第N光源(1N)的安装位置和光源发射角的不同决定了它们输出的脉冲光信号至发射到被接收走过的光程不同；第一光源(11)输出脉冲光信号的光程L1最短，飞行时间为L1/c，c为光速，对应直方图中T1，即T1＝L1/c，直方图中T1对应的计数C1-Cd为单光子雪崩光电二极管(4)接收到第一光源(11)发射光脉冲的个数，同理，直方图中T2对应的计数C2-Cd为单光子雪崩光电二极管(4)接收到第一光源(12)发射光脉冲的个数,直方图中Tn对应的计数Cn-Cd为单光子雪崩光电二极管(4)接收到第N光源(1N)发射光脉冲的个数；当风挡外表面存在雨滴时，第一光源(11)、第二光源(12)和第N光源(1N)发射的脉冲光经过风挡内表面的反射回来的光信号强度将会减小，雨量越大，反射回来的光信号强度越弱；反射光信号强度的减少会引起直方图中T1对应计数C1-Cd、T2对应计数C2-Cd和Tn对应的计数Cn-Cd的减小，这样直方图中的计数C1-Cd、C2-Cd和Cn-Cd可以表征风挡玻璃外表面的不同的位置的雨量大小；之后将所有位置的雨量信息结合其他因素，如风向和风速，来计算出实际的雨量信息。当环境光发生变化时，由于环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，环境光的变化会引起直方图中所有数据点整体的变化，并不会对直方图中计数C1-Cd、C2-Cd和Cn-Cd造成影响，该***可以满足全天候和环境光突变情况下的雨量测量。
附图说明
图1是基于dToF的雨量传感器的示意图。它由光源阵列(1)、脉冲驱动模块(2)、偏置电压源(3)、单光子雪崩光电二极管(4)、淬灭电路(5)、时间数字转换器(6)和信号处理模块(7)组成。
图2是基于dToF的雨量传感器的实施例示意图。它由第一光源(11)和第二光源(12)、脉冲驱动模块(2)、偏置电压源(3)、单光子雪崩光电二极管(4)、淬灭电路(5)、时间数字转换器(6)和信号处理模块(7)组成。
图3是基于dToF的雨量传感器的实施例中直方图处理示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图2给出了基于dToF的雨量传感器实施例，由第一光源(11)和第二光源(12)、脉冲驱动模块(2)、偏置电压源(3)、单光子雪崩光电二极管(4)、淬灭电路(5)、时间数字转换器(6)和信号处理模块(7)组成。
实施例中脉冲驱动模块(2)输出脉冲电信号驱动第一光源(11)驱动光源(1)和第二光源(12)输出脉冲光信号，同时输出一个同步电信号至时间数字转换器(6)；脉冲光信号照射到风挡玻璃经其反射返回到单光子雪崩光电二极管(4)，单光子雪崩光电二极管(4)将接收到的光信号进行光电转换输出雪崩电信号至淬灭电路(5)，淬灭电路(5)对单光子雪崩光电二极管(4)输出的雪崩电信号进行淬灭和复位处理，并将雪崩电信号整形为标准晶体管-晶体管逻辑电信号输出至时间数字转换器(6)。第一光源(11)和第二光源(12)采用工作在近红外波段的激光二极管，第一光源(11)和第二光源(12)发出的近红外光信号入射到风挡玻璃内表面。如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号将会减少，被反射回来的近红外光信号的强度反应了风挡玻璃外表面的雨量；第一光源(11)和第二光源(12)用来测量风挡玻璃的两个不同位置的雨量，光源的位置和光源的发射角由测量点的位置和单光子雪崩光电二极管(4)的位置决定；时间数字转换器(6)的start端口接收到脉冲驱动模块输出的同步脉冲电压信号触发时间数字转换器(6)开始计时，当时间数字转换器(6)的stop端口接收到淬灭电路(5)输出的电压脉冲信号时停止计时，这样第一光源(11)和第二光源(2)发射的脉冲光信号经风挡玻璃反射至被单光子雪崩光电二极管(6)的飞行时间被记录下来，之后时间延时被传输至信号处理模块(7)进行处理。
图3给出了信号处理模块(7)对时间数字转换器(6)输出的时间延时数据进行直方图处理的示意图。直方图的横轴为时间延时，纵轴为时间延时的计数；由于环境光是随机的，环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，直方图中Cn1为环境光在不同长度时间延时对应的计数；由于第一光源(11)和第二光源(12)的安装位置和光源发射角的不同决定了它们输出的脉冲光信号至发射到被接收走过的光程不同；第一光源(11)输出脉冲光信号的光程L1较长，飞行时间为L1/c，c为光速，对应直方图中T2，即T2＝L1/c，直方图中T2对应的计数C2-Cn1为单光子雪崩光电二极管(4)接收到第一光源(11)发射光脉冲的个数，同理，直方图中T1对应的计数C1-Cn1为单光子雪崩光电二极管(4)接收到第一光源(12)发射光脉冲的个数；当风挡外表面存在雨滴时，第一光源(11)和第二光源(21)发射的脉冲光经过风挡内表面的反射回来的光信号强度将会减小，雨量越大，反射回来的光信号强度越弱；反射光信号强度的减少会引起直方图中T1对应计数C1-Cn1和T2对应计数C2-Cn的减小，这样直方图中的计数C1-Cn1和C2-Cn1可以表征风挡玻璃外表面的雨量大小；由于环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，当环境光突然增强时，环境光的变化会引起直方图中所有数据点整体增加Cn2-Cn1，环境光变化后直方图中T1对应计数C3-Cn2仍然等于C1-Cn1，直方图中T2对应计数C4-Cn2仍然等于C2-Cn1，环境光的变化并不会对表征雨量的数据造成影响，该***能够实现全天候和环境光突变情况下的雨量检测。
Claims (6)
1.一种基于dToF的雨量传感器，由光源阵列（1）、脉冲驱动模块（2）、偏置电压源（3）、单光子雪崩光电二极管（4）、淬灭电路（5）、时间数字转换器（6）和信号处理模块（7）组成；其特征是：脉冲驱动模块（2）输出脉冲电信号驱动光源阵列（1）输出脉冲光信号，同时输出一个同步电信号至时间数字转换器（6）；脉冲光信号照射到风挡玻璃经其反射返回到单光子雪崩光电二极管（4），单光子雪崩光电二极管（4）将接收到的光信号进行光电转换输出雪崩电信号至淬灭电路（5），淬灭电路（5）对单光子雪崩光电二极管（4）输出的雪崩电信号进行淬灭和复位处理，并将雪崩电信号整形为标准晶体管-晶体管逻辑电信号输出至时间数字转换器（6）；时间数字转换器（6）记录下脉冲驱动模块（2）输出同步电信号和淬灭电路（5）输出电信号之间的时间延时并转换成数字信号输出至信号处理模块（7），信号处理模块（7）对接收到时间延迟进行直方图处理；信号处理模块（7）接收时间数字转换器（6）输出的时间延时并进行统计，将统计的时间延时进行直方图处理，直方图的横轴为不同长度的时间延时，纵轴为时间延时的计数；由于环境光是随机的，环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，直方图中Cd为环境光在不同长度时间延时对应的计数；光源阵列（1）中第一光源（11）、第二光源（12）和第N光源（1N）的安装位置和光源发射角的不同决定了它们输出的脉冲光信号至发射到被接收走过的光程不同；第一光源（11）输出脉冲光信号的光程L1最短，飞行时间为L1/c，c为光速，对应直方图中T1，即T1=L1/c，直方图中T1对应的计数C1-Cd为单光子雪崩光电二极管（4）接收到第一光源（11）发射光脉冲的个数，直方图中T2对应的计数C2-Cd为单光子雪崩光电二极管（4）接收到第一光源（12）发射光脉冲的个数, 直方图中Tn对应的计数Cn-Cd为单光子雪崩光电二极管（4）接收到第N光源（1N）发射光脉冲的个数；当风挡外表面存在雨滴时，第一光源（11）、第二光源（12）和第N光源（1N）发射的脉冲光经过风挡内表面的反射回来的光信号强度将会减小，雨量越大，反射回来的光信号强度越弱；反射光信号强度的减少会引起直方图中T1对应计数C1-Cd、T2对应计数C2-Cd和Tn对应的计数Cn-Cd的减小，直方图中的计数C1-Cd、C2-Cd和Cn-Cd表征风挡玻璃外表面的不同的位置的雨量大小。
2.根据权利要求1所述的一种基于dToF的雨量传感器，其特征是：光源阵列（1）采用工作在近红外波段的激光二极管或者垂直腔面发射激光器，挡风玻璃上的设置多个均匀分布的测量点，光源阵列（1）中光源的数量决定了测量点的数量；光源阵列（1）发出的近红外光信号入射到风挡玻璃内表面；如果风挡玻璃外表面没有雨滴处于干燥的状态，则几乎全部的近红外光信号被反射，如果风挡玻璃外表面有雨滴，反射回来的近红外光信号将会减少，被反射回来的近红外光信号的强度反应了风挡玻璃外表面的雨量；光源阵列（1）用于测量风挡玻璃的不同位置的雨量时，光源阵列（1）中光源的位置和光源的发射角由测量点的位置和单光子雪崩光电二极管（4）的位置决定。
3.根据权利要求1所述的一种基于dToF的雨量传感器，其特征是：单光子雪崩光电二极管（4）基于锗，铟镓砷或者铟镓砷/磷化铟的任何一种，工作于近红外波段；偏置电压源（3）输出直流电压至单光子雪崩光电二极管（4），直流电压大于单光子雪崩光电二极管（4）的击穿电压，单光子雪崩光电二极管（4）工作在单光子探测模式；当经风挡玻璃反射的近红外脉冲光信号入射到单光子雪崩光电二极管（4），单光子雪崩光电二极管接受入射光子输出雪崩事件至淬灭电路（5）。
4.根据权利要求1所述的一种基于dToF的雨量传感器，其特征是：淬灭电路（5）的作用是对单光子雪崩光电二极管（4）进行淬灭和复位，淬灭过程是淬灭电路（5）检测到雪崩事件后降低单光子雪崩光电二极管（4）的工作电压至击穿电压以下来抑制雪崩进程，复位过程是淬灭一段时间后（死时间）淬灭电路（5）将单光子雪崩光电二极管（4）的工作电压恢复来准备探测下一个光子，同时淬灭电路（5）输出一个标准晶体管晶体管逻辑电平脉冲信号至时间数字转换器。
5.根据权利要求1所述的一种基于dToF的雨量传感器，其特征是：时间数字转换器（6）的start端口接收到脉冲驱动模块输出的同步脉冲电压信号触发时间数字转换器（6）开始计时，当时间数字转换器（6）的stop端口接收到淬灭电路（5）输出的电压脉冲信号时停止计时，这样光源阵列（1）发射的脉冲光信号经风挡玻璃反射至被单光子雪崩光电二极管（4）的飞行时间被记录下来，之后时间延时被传输至信号处理模块（7）进行处理。
6.根据权利要求1所述的一种基于dToF的雨量传感器，其特征是：将所有位置的雨量信息结合其他因素，如风向和风速，来计算出实际的雨量信息，当环境光发生变化时，由于环境光在不同长度时间延时上的计数分布是均匀的，环境光的变化会引起直方图中所有数据点整体的变化，并不会对直方图中计数C1-Cd、C2-Cd和Cn-Cd造成影响，该***可以满足全天候和环境光突变情况下的雨量测量。
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